CN106832130A - 一种高韧性抗开裂水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高韧性抗开裂水泥混凝土及其制备方法，混凝土制备原料包括纤维素醚、pH敏感水凝胶、水泥、集料和水。混凝土的制备方法为先制备pH敏感水凝胶，再将集料与水泥拌合均匀，最后加入纤维素醚、pH敏感水凝胶，拌合均匀，即可制得混凝土。本发明使用的自制pH敏感水凝胶为轻度交联高分子材料，释水后聚合成薄膜，不会在水泥混凝土中留下孔洞，提高混凝土抗开裂性能的同时不影响水泥混凝土的其他性能。在纤维素醚与pH敏感水凝胶的共同作用下水泥混凝土内部形成连续网状结构，极大地提高了混凝土的韧性，且有效地阻止了混凝土的干燥收缩和开裂。

Description

一种高韧性抗开裂水泥混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于道路工程材料领域，涉及水泥混凝土材料，具体涉及一种高韧性抗开裂水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土是我国国民经济建设的主要材料。随着混凝土应用范围的日益扩展，它在自然环境中的性能退化问题逐渐暴露出来。普通水泥混凝土具有很高的抗压强度和较大的刚度，但存在凝结与硬化过程中易产生收缩开裂、抗拉强度低、韧性差等特点，并且随着强度的提高其脆性特征更加明显，给混凝土结构物的耐久性带来极大的影响。

水泥混凝土由于置于未饱和空气中，内部毛细孔和凝胶孔失去吸附水而发生不可逆收缩就会引起混凝土的开裂，从而导致混凝土耐久性能的下降。目前针对水泥混凝土因失水导致的干缩开裂问题，最常见的养护措施是洒水、喷雾、蓄水养护、使用高性能吸水树脂等；另外一种常见的增强混凝土抗裂性能的方法是在混凝土中掺入纤维增强材料。但由于两种方法原材料以及施工工艺的差别，效果差别较大。

主要原因在于：首先，外养护措施：洒水、喷雾、蓄水养护，水分在短时间内不易进入混凝土内部，不能达到预期的养护效果。其次，使用高性能吸水树脂作为混凝土的内养护材料，虽然水分直接释放在混凝土内部，但其释水后会在混凝土内部留有孔洞，影响混凝土的力学性能。再次，使用纤维增强材料，虽然会一定程度地提高混凝土的抗裂性，增强混凝土的韧性，但会增加混凝土制备的成本，因此极少用于土木工程建设中。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高韧性抗开裂混凝土材料及其制备方法，解决现有水泥混凝土易开裂、脆性大等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种pH敏感水凝胶，所述pH敏感水凝胶由以下原料制成：羧甲基纤维素、丙烯酸、氢氧化钠、去离子水、引发剂和交联剂。

具体的，所述羧甲基纤维素、丙烯酸、氢氧化钠、去离子水、引发剂和交联剂的加入量按质量比为2.45％～2.65％：22％～23.8％：9％～10％：62％～66.6％：0.6％～0.9％：0.0037％～0.0041％。

进一步，所述引发剂采用过硫酸钾。

另外，所述交联剂采用质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液。

pH敏感水凝胶提高水泥混凝土韧性和抗开裂性的应用。

一种高韧性抗开裂水泥混凝土，所述水泥混凝土以质量百分数计，由以下原料制成：纤维素醚为0.02％～0.08％，pH敏感水凝胶为0.2％～0.8％，水泥为16.22％～17.22％，集料为74％～76％，水为7.03％～8.43％，原料的质量百分数之和为100％。

具体的，所述水泥混凝土以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.05％，pH敏感水凝胶为0.5％，水泥为16.72％，集料为75％，水为7.73％。

可选的，所述纤维素醚采用甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种。

可选的，所述集料包括粒径范围小于5mm的细集料以及粒径范围为10～31.5mm的粗集料。

一种高韧性抗开裂水泥混凝土的制备方法，该方法以上述高韧性抗开裂水泥混凝土的配方为基准，包括以下步骤：

步骤一：将集料与水泥混合并搅拌均匀；

步骤二：将纤维素醚、pH敏感水凝胶、水加入到步骤一的混合物中，拌合均匀后即可得到高韧性抗裂水泥混凝土。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明使用自制pH敏感水凝胶与纤维素醚作为水泥混凝土的外加剂，提高了混凝土的流动度、黏聚性以及保水性。

(2)本发明使用自制pH敏感水凝胶作为水泥混凝土的内养护剂，利用水泥水化后体系内部pH变化作为pH敏感水凝胶释水动力，利用释放出的水分对水泥混凝土进行内养护，降低混凝土的收缩率，最终提高混凝土抗干缩性能。

(3)本发明使用的自制pH敏感水凝胶为轻度交联高分子，释水后聚合成薄膜，与水泥水化产物与纤维素醚交联形成网状结构，能有效分散裂纹尖端应力，极大程度地提高了混凝土的韧性。

具体实施方式

本发明中掺入的pH敏感水凝胶，其体积随着pH的变化而变化。在pH为7.0时，水凝胶获得最大的平衡溶胀1100g/g；在酸性pH(pH<4)时，一方面，由于-OH和-COOH基团之间的氢键作用增强，产生额外的物理交联，另一方面，羧酸根离子之间的静电斥力受到限制，疏水作用做主导；在pH为4-10时，-COOH基团被离子化，去质子化生成带负电荷的-COO^-，-COO^-基团之间的静电斥力带来高的溶胀能力；当pH(pH>10)较高时，溶胀介质中过多的K⁺、Na⁺屏蔽了-COO^-阴离子，阻止了有效的阴-阴离子间静电排斥力，使溶胀率下降，高分子链通过疏水作用相互聚集，体积收缩。

本发明中，pH敏感水凝胶以一定比例掺入混凝土中，分为3个阶段与水泥混凝土相互作用。第一阶段，pH敏感水凝胶与水泥混凝土拌合后首先以液态存留在混凝土的孔隙与表面，当水泥水化后内部pH逐渐升高，pH敏感水凝胶交联网状分子链发生塌缩，排出网络中的水分子进入水泥基中，对水泥混凝土起到内养护的作用，提高混凝土抗干缩性能。第二阶段，当混凝土中水泥逐渐水化，混凝土处于干燥环境中，pH敏感水凝胶开始在混凝土中聚合成薄膜网状构。第三阶段，随着水泥水化的进行，pH敏感水凝胶大面积成膜，并与水泥水化产物、纤维素醚交联相织，这种薄膜网格状结构能够有效地分散传导应力，抑制裂纹的产生与扩散，并能极大地提高混凝土的韧性。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

制备pH敏感水凝胶，将0.257g羧甲基纤维素溶解于6.435m L去离子水中，然后在60℃的条件下边搅拌边依次加入0.927g NaOH、2.317g丙烯酸、0.064g过硫酸钾(引发剂)和0.0386mL质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(交联剂)，烧杯覆膜，反应1.5h后，得淡红色黏稠液体，制得pH敏感水凝胶；

本实施例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.05％，pH敏感水凝胶为0.5％，水泥为16.72％，集料为75％，水为7.73％；其中细集料为26％，粗集料为49％。

其中：所涉及的pH敏感水凝胶的临界转变pH为4、10，即pH＜4时，凝胶为收缩状态；4≤pH≤10时，凝胶为溶胀状态；pH＞10时，凝胶为收缩状态。

细集料的细度模数为2.8，含泥量为2.5％，表观密度为2650kg/m³，堆积密度为1420kg/m³。粗集料的粒径分布为10-31.5mm，压碎指标为7.5％，表观密度为2690kg/m³，含泥量为0.5％。集料在混凝土中占到的总体积很高，但大多数情况下，在集料内部很难达到临界饱水度，因此由集料引发的混凝土性能变化小，所以本申请选用不同粒径的集料。

水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，标准稠度为28.8％，安定性合格。

基于本实施例的原料配方，本实施例混凝土的具体制备方法如下所述：

步骤一，将1500g集料与334.4g水泥拌合均匀；

步骤二，将步骤一制得pH敏感水凝胶10g、水154.6g、纤维素醚1g加入到步骤一制得的混合物中，拌合均匀，制得混凝土。

本实施例的性能测试结果如表1—表4所示。

实施例2：

制备pH敏感水凝胶，将0.106g羧甲基纤维素溶解于2.592g去离子水中，然后在60℃的条件下边搅拌边依次加入0.328g NaOH、0.938g丙烯酸、0.036g过硫酸钾(引发剂)、0.15mL质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(交联剂)，烧杯覆膜，反应1.5h后，得淡红色黏稠液体，制得pH敏感水凝胶；

本实施例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.05％，pH敏感水凝胶为0.5％，水泥为16.72％，集料为75％，水为7.73％；其中细集料为26％，粗集料为49％。

本实施例混凝土的具体制备方法与实施例1相同。

本实施例的性能测试结果如表1—表4所示。

实施例3：

制备pH敏感水凝胶，将0.106g羧甲基纤维素溶解于2.592g去离子水中，然后在60℃的条件下边搅拌边依次加入0.328g NaOH、0.938g丙烯酸、0.036g过硫酸钾(引发剂)、0.15mL质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(交联剂)，烧杯覆膜，反应1.5h后，得淡红色黏稠液体，制得pH敏感水凝胶；

本实施例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.08％，pH敏感水凝胶为0.2％，水泥为16.87％，集料为75％，水为7.85％；其中细集料为26％，粗集料为49％。

本实施例混凝土的具体制备方法与实施例1相同。

本实施例的性能测试结果如表1—表4所示。

实施例4：

制备pH敏感水凝胶，将0.421g羧甲基纤维素溶解于10.307g去离子水中，然后在60℃的条件下边搅拌边依次加入1.44g NaOH、3.718g丙烯酸、0.114g过硫酸钾(引发剂)、0.618mL质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(交联剂)，烧杯覆膜，反应1.5h后，得淡红色黏稠液体，制得pH敏感水凝胶；

本实施例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.02％，pH敏感水凝胶为0.8％，水泥为17.1％，集料为74％，水为8.08％；其中细集料为25％，粗集料为49％。

本实施例混凝土的具体制备方法与实施例1相同。

本实施例的性能测试结果如表1—表4所示。

实施例5：

制备pH敏感水凝胶，将0.308g羧甲基纤维素溶解于7.647g去离子水中，然后在60℃的条件下边搅拌边依次加入1.112g NaOH、2.856g丙烯酸、0.077g过硫酸钾(引发剂)、0.463g质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(交联剂)，烧杯覆膜，反应1.5h后，得淡红色黏稠液体，制得pH敏感水凝胶；

本实施例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.04％，pH敏感水凝胶为0.6％，水泥为16.22％，集料为76％，水为7.14％；其中细集料为26％，粗集料为50％。

本实施例混凝土的具体制备方法与实施例1相同。

本实施例的性能测试结果如表1—表4所示。

实施例6：

制备pH敏感水凝胶，将0.257g羧甲基纤维素溶解于6.435g去离子水中，然后在60℃的条件下边搅拌边依次加入0.864g NaOH、2.38g丙烯酸、0.064g过硫酸钾(引发剂)、0.375g质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液(交联剂)，烧杯覆膜，反应1.5h后，得淡红色黏稠液体，制得pH敏感水凝胶；

本实施例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.08％，pH敏感水凝胶为0.8％，水泥为17.09％，集料为75％，水为7.03％；其中细集料为26％，粗集料为49％。

本实施例混凝土的具体制备方法与实施例1相同。

本实施例的性能测试结果如表1—表4所示。

对比例：

本对比例给出一种水泥混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：水泥为17％，集料为75％(其中细集料为25％，粗集料为50％)，水为8％。

基于本对比例的原料配方，本对比例的混凝土的制备过程如下所述：

步骤一，将1000g粗集料与500g细集料在室温条件下混合，再加入340g水泥拌合均匀；

步骤二，将160g水加入到步骤一制得的混合物中，拌合均匀，制得水泥混凝土。

本对比例的性能测试结果如表1—表4所示。

效果分析：

对实施例1—6以及对比例中不同配比的新拌混凝土按照GB/T50080-20《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行和易性能测试。对实施例1—6以及对比例中成型的混凝土试件，养护至不同龄期，按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行收缩开裂测试。配制的水泥混凝土标准养护28d后，参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行力学性能测试。

和易性能检测：

不同配比水泥混凝土的和易性能如表1所示。

表1不同配比混凝土的和易性能

坍落度试验结果表明，纤维素醚与pH敏感水凝胶的掺加增强了混凝土的和易性，与对比例相比，混凝土无泌水且粘聚性较好。

收缩试验：

混凝土的干燥收缩试验用试件尺寸为100mm×100mm×515mm，两端预埋测头，混凝土成型ld拆模后，在标准养护室养护2d，取出测定初长，然后放入干燥室内中测定7d、28d、60d、90d的收缩率(测长的龄期从放入干燥室内时算起)，混凝土的自由收缩用螺旋千分尺测定，精度lμm，试验结果见表2。

表2表明，与对比例的混凝土相比，纤维素醚与pH敏感水凝胶的掺入(实施例1—6)能有效地降低混凝土的干燥收缩值，对混凝土早期收缩的改善尤为明显。

表2干燥收缩试验结果

开裂试验：

采用平板模具研究pH敏感水凝胶对混凝土早期开裂性能的影响，试件尺寸为600mm×600mm×50mm。试验温度控制在20～23℃。试验时，先将混凝土拌合物浇入平板模具中插捣成型，抹平表面，将试件带模分别置于风吹环境中，用专门测量裂缝宽度的塞尺对各混凝土板24h的开裂情况进行跟踪观测，试验结果如表3所示。

表3表明，与对比例相比，纤维素醚与pH敏感水凝胶的掺入能够有效地延迟混凝土开裂时间，降低裂纹宽度，减少裂纹数量，纤维素醚掺量为0.05％、pH敏感水凝胶掺入量为0.5％时抗裂性能达到最佳。

表3混凝土早期开裂试验结果

力学性能试验：

不同配比的水泥混凝土的力学性能试验结果如表4所示。

表4水泥混凝土的力学性能

表4表明，纤维素醚与pH敏感水凝胶的掺入可以一定程度提高混凝土的抗折性能，同时不影响混凝土的抗压性能。随着pH敏感水凝胶掺量的增加，混凝土的韧性逐渐提高。

以上结果表明，pH敏感水凝胶能够有效抑制水泥混凝土开裂，并能提高水泥混凝土的韧性。掺有pH敏感水凝胶水泥混凝土的和易性能、抗干缩和抗开裂性能等比普通水泥混凝土性能提高可达10％。

Claims (10)

1.一种pH敏感水凝胶，其特征在于：所述pH敏感水凝胶由以下原料制成：羧甲基纤维素、丙烯酸、氢氧化钠、去离子水、引发剂和交联剂。

2.如权利要求1所述的pH敏感水凝胶，其特征在于：所述羧甲基纤维素、丙烯酸、氢氧化钠、去离子水、引发剂和交联剂的加入量按质量比为2.45％～2.65％：22％～23.8％：9％～10％：62％～66.6％：0.6％～0.9％：0.0037％～0.0041％。

3.如权利要求1所述的pH敏感水凝胶，其特征在于：所述引发剂采用过硫酸钾。

4.如权利要求1所述的pH敏感水凝胶，其特征在于：所述交联剂采用质量浓度为1g/L的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液。

5.权利要求1所述pH敏感水凝胶提高水泥混凝土韧性和抗开裂性的应用。

6.一种高韧性抗开裂水泥混凝土，其特征在于：所述水泥混凝土以质量百分数计，由以下原料制成：纤维素醚为0.02％～0.08％，pH敏感水凝胶为0.2％～0.8％，水泥为16.22％～17.22％，集料为74％～76％，水为7.03％～8.43％，原料的质量百分数之和为100％。

7.如权利要求6所述的高韧性抗开裂水泥混凝土，其特征在于：所述水泥混凝土以质量百分数计，由以下原料组成：纤维素醚为0.05％，pH敏感水凝胶为0.5％，水泥为16.72％，集料为75％，水为7.73％。

8.如权利要求6所述的高韧性抗开裂水泥混凝土，其特征在于：所述纤维素醚采用甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种。

9.如权利要求6所述的高韧性抗开裂水泥混凝土，其特征在于，所述集料包括粒径范围小于5mm的细集料以及粒径范围为10～31.5mm的粗集料。

10.一种高韧性抗开裂水泥混凝土的制备方法，其特征在于：该方法采用如权利要求6至9任一权利要求所述的水泥混凝土的配方，包括以下步骤：

步骤一：将集料与水泥混合并搅拌均匀；

步骤二：将纤维素醚、pH敏感水凝胶、水加入到步骤一的混合物中，拌合均匀后即可得到高韧性抗裂水泥混凝土。